沥青路面材料的力学特性与温度稳定性

第一节概述一、沥青路面的基本特性优点：具有足够的强度承受各种荷载的作用，平整无缝，行车舒适，震动小，噪音低，施工期短，养护维修方便。缺点：施工受季节、气候影响大，工艺要求高，有一定毒性；受温度影响大，夏软冬脆，材料易老化且路面磨光后，行车不安全。沥青路面：是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层并与各类基层和垫层所组成的路面结构。二、沥青路面的分类1.按强度构成原理分：密实类和嵌挤类⑴密实类：要求矿料的级配按最大密实原则设计，其强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力。原按其空隙率的大小可分为闭式和开式两种。⑵嵌挤类：要求采用颗粒尺寸较为均一的矿料，路面的强度和稳定性主要依靠骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而粘聚力则起着次要的作用。其热稳定性较好，但空隙率较大、易渗水，耐久性较差。沥青路面材料特性2.按沥青混合料按其结构组成分1)悬浮密实结构由连续级配矿料组成的密实混合料，当粗集料约为30%～40%时，沥青混合料虽可以形成密实结构，但因为粗集料数量较少，不能形成骨架，而以悬浮状态处于较小颗粒之中，这种沥青混合料表现为粘结力较高，内摩阻力受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，稳定性较差，密实，疲劳和低温性能强。2)骨架空隙结构采用连续型级配矿质混合料，当矿质集料中粗集料较多，可以形成骨架，但因细集料数量过少，不足以填满空隙时，则形成“骨架－空隙”结构。这种沥青混合料强度主要取决于内摩阻力，粘结力低，其结构强度受沥青的性质和物理状态影响较小，高温稳定性较好，抗水损害、疲劳和低温性能较差。3)骨架密实结构当采用间断型密级配时，混合料中既有一定数量的粗集料形成骨架，同时细集料足以填满骨架的空隙。这种沥青混合料粘结力和内摩阻力均较高高温稳定性较好，抗水损害、疲劳和低温性能较好。第一节概述3.按施工工艺分：层铺法、路拌法和厂拌法⑴层铺法：是用分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法修筑。常用结构类型有沥青表面处治、沥青贯入式⑵路拌法：是在路上用机械将矿料和沥青材料就地拌和、摊铺、碾压密实而成的沥青面层。常用结构类型有路拌沥青碎（砾）石、路拌沥青稳定土。⑶厂拌法：是将规定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，然后送到工地摊铺碾压而成的沥青路面。常用结构类型：厂拌沥青碎石：矿料中细颗粒含量少，不含或含少量矿粉，混合料为开级配的，空隙率达10％～15％。沥青混凝土：矿料中含矿粉，混合料是按最佳密实级配配制，空隙率10％。沥青混合料是指由适当比例的粗集料、细集料以及填料与沥青在严格控制条件下拌和的沥青混合料。沥青混凝土混合料：由适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌和而成的符合技术标准的沥青混合料(以AC表示)。4.根据沥青路面的技术特性分：AC、SMA、AM、ATB、ATPB、OGFC对热拌沥青混合料(HMA)适用于各个等级公路的沥青面层提出了要求。其种类按集料公称最大粒径、矿料级配、空隙率划分，集料规格以方孔筛为准，并按规下表选用。各类沥青混合料的使用范围应遵循以下规定：(1)密级配沥青混凝土混合料(AC)适用于各级公路沥青面层的任何层次；(2)沥青马蹄脂碎石混合料(SMA)适用于铺筑新建公路的表面层、中面层或旧路面加铺磨耗层；(3)设计空隙率为8%～15%的半开级配的沥青碎石混合料(AM)仅适用于三级及三级以下公路、乡村公路，且沥青混合料拌和设备缺乏添加矿粉的装置和人工炒拌的情况；(4)设计空隙率3%～8%粗粒式及特粗式的密级配沥青稳定碎石混合料(ATB)适用于基层；(5)设计空隙率大于15%的粗集料及特粗式排水式沥青稳定碎石混合料(ATPB)适用于基层；(6)设计空隙率大于18%的细粒式排水式沥青稳定碎石混合料(OGFC)适用于高速行车、多雨潮湿、不宜被尘土污染、非冰冻地区铺筑排水式沥青路面磨耗层。热拌沥青混合料种类混合料密级配半开级配开级配间断级配公称最大集料粒径(mm)最大集料粒径(mm)沥青混凝土沥青稳定碎石基层沥青碎石混合料排水式沥青磨耗层排水式沥青稳定碎石基层沥青马蹄脂碎石混合料沥青混凝土特粗式－ATB-35－－ATPB-40－－37.553.0粗粒式－ATB-30－－ATPB-30－－31.537.5AC-25ATB-25－－ATPB-25－AC-2526.531.5中粒式AC-20－AM-20－－SMA-20AC-2019.026.5AC-16－AM-16OGFC-16－SMA-16AC-1616.019.0细粒式AC-13－AM-13OGFC-13－SMA-13AC-1313.216.0AC-10－AM-10OGFC-10－SMA-10AC-109.513.2砂粒式AC-5－AM-5－－－－4.759.5设计空隙率3%-5%3%-8%8%～15%18%15%3%-4%3%-5%其它沥青混凝土的类型：1.沥青玛碲脂碎石（SMA)－由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛碲脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料。最基本的组成是碎石骨架和沥青玛碲脂结合料。SMA组成特点：1)一种间断级配的沥青混合料2)增加矿粉用量和使用纤维作为稳定剂3)沥青结合料用量多（高1%以上，沥青粘结性高）4)目标空隙率2%~4%。体积指标、析漏试验、车辙试验为主确定配合比，5)材料要求高。6)拌和时间要延长，施工稳定要提高归纳为三多一少：粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少，掺纤维增强剂，材料要求高，使用性能全面提高形成机理：骨架嵌挤提供最大摩阻力，沥青玛碲脂提供最大的粘结力。主要功能：1)抗滑性能好2)有很好的高温稳定性和耐久性（寿命长20%以上）3)对带钉轮胎的磨耗抗力好4)可用于底面层，也可以铺筑表面层，特别可用于铺薄面层。5)摊铺和压实性能好2.多孔隙沥青混凝土表面层（PAWC）－是一种压实后含有大约20%孔隙的沥青混合料，从而在层内形成一个水道网。（开级配磨耗层OGFC或称为排水沥青混凝土磨耗层或透水沥青混凝土磨耗层）功能：1)使雨水不会在表面形成水膜和径流，使车辆轮胎与路面保持接触，从而避免高速行驶时产生的水漂现象。2)消除车后的溅水和喷雾现象3)消除路面表面的反光现象，从而使道路标志容易看清4)明显减少车辆的滚动噪声5)抗车辙能力高特点：在PAWC下面必需设置防水层，以防水渗入下卧结构层。第一节概述三、沥青路面的温度稳定性1.沥青路面的高温稳定性★沥青混合料的特点是强度和抗变形能力随温度的升降而产生变化。温度升高时强度降低，温度降低时强度增大。★沥青路面在高温下产生的剪切变形有下列两种情况：一种是面层很薄，或者面层与基层之间的粘结力很差时，面层将沿着基层顶面滑动；另一种是面层很厚，或者面层与基层之间的粘结力很大时，则整个面层内部发生推挤移动。★影响沥青混合料高温稳定性的因素和提高其高温稳定性的措施：第一节概述三、沥青路面的温度稳定性1.沥青路面的高温稳定性2.沥青路面的低温抗裂性★沥青路面在低温时：强度增大，但抗变形能力却因刚性增大而降低。气温下降，特别是在急骤降温时，会在路面结构上产生温度梯度，路面面层遇降温而收缩的趋势会受到其下部层次的约束在面层产生拉应力，当拉应力超过沥青混凝土的强度，造成面层开裂。★沥青路面的低温缩裂类型：一类是温度下降而造成路面的开裂，它与沥青混合料的体积收缩有关，这种裂缝是由表面开始发裂而逐渐发展成为裂缝；另一类是属于路基或基层收缩与冰冻共同作用而产生的裂缝，这类裂缝是从基层开始逐渐反映到沥青面层开裂。★影响沥青混合料低温开裂的因素和减少路面低温开裂的措施：四、沥青路面的水稳性沥青混凝土水稳性指标常采用浸水马歇尔、冻融劈裂试验和沥青与矿料的粘附性试验。沥青路面类型的选择选择依据：1）道路的等级、交通量、使用年限、修建费用等，2)工程特点（施工季节、施工期限、基层状况等），3)材料供应情况，4)施工机具、劳力和施工技术条件等。选择原则：根据路面使用要求和施工条件，按技术经济原则综合考虑。(1)密级配和间断级配的沥青混凝土适用于各等级公路的各个层次。当采用间断级配沥青混合料时，混合料应不至于在施工过程中发生明显离析；(2)为提高沥青混合料使用性能，或普通沥青混合料不能适用于使用需要时，宜铺筑改性沥青混合料路面。SMA宜同时采用改性沥青；(3)开级配排水式沥青混合料磨耗层必须采用具有高粘结性能的特殊的改性沥青铺筑，其下的层次应采用空隙率小、密水性好的结构层，并设置封层。工程上必须通过试验，取得成功的经验，并经过论证后使用；(4)开级配排水式沥青混合料基层ATPB下卧层应具有排水和抗冲刷的能力。工程必须通过试验，取得成功的经验，并经过论证后使用；(5)特粗式沥青混合料适用于基层，粗粒式沥青混合料适用于下面层或基层，中粒式沥青混合料适用于中面层和表面层，细粒式沥青混合料适用于表面层和薄面罩面。砂粒式沥青混合料适用于非机动车道或行人道路。对高级公路及一级道路，除沥青稳定碎石基层外，通常宜选用公称最大粒径为13.2mm～26.5mm的沥青混合料。沥青面层的混合料类型根据公路等级及所处得层位的功能性要求选择，并应遵循以下原则：(1)沥青面层宜采用双层或三层式结构，各层之间应联结成为整体，为此在沥青层下必须浇洒透层沥青，沥青层与沥青层之间必须喷洒粘层沥青。(2)沥青路面应满足耐久性、抗车辙、抗裂、密水、抗滑等多方面性能要求，便于施工，并应根据施工机械、工程造价等实际情况选择沥青混合料的种类。(3)对高速公路、一级公路，为提高沥青混合料的使用性能和延长沥青路面的使用寿命，或采用普通的道路沥青不能满足使用要求时，宜对上面层或中面层沥青结合料采用改性措施，或采用SMA等特殊的矿料级配。如果需要二级公路也可采用改性沥青或SMA结构。对沥青层较厚的高速公路、一级公路，在选择级配类型，确定矿料级配和最佳沥青用量时，应首先保证各层的组合不致发生早期破坏。并在此基础上优先或侧重考虑各层的服务功能作出选择：①表面层应具有良好的表面功能、密水、耐久、抗车辙、抗裂，潮湿地区和湿润地区的路面上面层应符合潮湿条件下的抗滑性能不符合要求时，宜铺筑抗滑磨耗层。在寒冷地区，表面层应考虑抗裂性能的要求。②三层式路面的中面层或双面式路面的下面层应重点满足混合料的高温抗车辙性能。③下面层应在满足高温抗车辙性能基层上，重点考虑抗疲劳性能及抗裂性能的要求。④除排水式沥青混合料外，各层都应考虑密水性，当上层属渗水性结构层时，层间或下层应有防排水措施。高速公路的紧急停车带(硬路肩)沥青面层宜采用与车行道相同的结构，但表面层宜采用密级配沥青混凝土铺筑。沥青面层集料的最大粒径宜从上至下逐渐增大，并应与设计厚度相匹配。除行人道路外，沥青层的压实厚度不宜小于集料最大粒径的2倍。对高速公路和一级公路，密级配沥青混合料的厚度不宜小于公称最大粒径的3倍，SMA等嵌挤密实型混合料的厚度不宜小于公称最大粒径的2.5倍，以减少离析，便于施工和压实。对各层适用的结构类型、公称最大粒径、最小压实厚度选择。热拌热铺沥青混合料路面须采用机械化连续施工。第二节沥青路面材料力学特性与温度特性一、沥青混合料强度特性表征沥青混合料的力学强度参数有：抗压强度、抗剪强度和抗拉（包括弯拉）强度。沥青路面破坏：1)拉裂，2)滑移开始而逐渐扩展1.抗剪强度摩尔强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成材料在外力作用下不产生剪切破坏条件为：c和φ是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪切试验，三轴试验或拉、压试验确定。tgctgcmax)arcsin(tctctcc21沥青混合料的抗剪强度不仅同矿料的级配组成、形状和表面特性有关，也同沥青的粘度和用量有关，还与试验温度、加荷速率等因素有关。。粘结力取决于：(1)沥青的粘度：粘度越高（针入度越小）混合料受剪时的粘滞阻力就越大，粘结力也越大(2)沥青用量：用量过少时，不足以裹敷矿质颗粒；过多时，沥青会将矿料挤开；都会使粘结力降低。存在最佳沥青用量，使粘结力达到最大。(3)温度和剪切速率：沥青的粘度受温度和应力作用时间影